什么是泛型
我們?cè)诰帉?xiě)程序時(shí)，經(jīng)常遇到兩個(gè)模塊的功能非常相似，只是一個(gè)是處理int數(shù)據(jù)，另一個(gè)是處理string數(shù)據(jù)，或者其他自定義的數(shù)據(jù)類型，但我們沒(méi)有辦法，只能分別寫(xiě)多個(gè)方法處理每個(gè)數(shù)據(jù)類型，因?yàn)榉椒ǖ膮?shù)類型不同。有沒(méi)有一種辦法，在方法中傳入通用的數(shù)據(jù)類型，這樣不就可以合并代碼了嗎？泛型的出現(xiàn)就是專門(mén)解決這個(gè)問(wèn)題的。讀完本篇文章，你會(huì)對(duì)泛型有更深的了解。
為什么要使用泛型
為了了解這個(gè)問(wèn)題，我們先看下面的代碼，代碼省略了一些內(nèi)容，但功能是實(shí)現(xiàn)一個(gè)棧，這個(gè)棧只能處理int數(shù)據(jù)類型：
public class Stack
{
private int[] m_item;
public int Pop(){...}
public void Push(int item){...}
public Stack(int i)
{
this.m_item = new int[i];
}
}
上面代碼運(yùn)行的很好，但是，當(dāng)我們需要一個(gè)棧來(lái)保存string類型時(shí)，該怎么辦呢？很多人都會(huì)想到把上面的代碼復(fù)制一份，把int改成string不就行了。當(dāng)然，這樣做本身是沒(méi)有任何問(wèn)題的，但一個(gè)優(yōu)秀的程序是不會(huì)這樣做的，因?yàn)樗氲饺粢院笤傩枰猯ong、Node類型的棧該怎樣做呢？還要再?gòu)?fù)制嗎？?jī)?yōu)秀的程序員會(huì)想到用一個(gè)通用的數(shù)據(jù)類型object來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)棧：
public class Stack
{
private object[] m_item;
public object Pop(){...}
public void Push(object item){...}
public Stack(int i)
{
this.m_item = new[i];
}
}
這個(gè)棧寫(xiě)的不錯(cuò)，他非常靈活，可以接收任何數(shù)據(jù)類型，可以說(shuō)是一勞永逸。但全面地講，也不是沒(méi)有缺陷的，主要表現(xiàn)在：
當(dāng)Stack處理值類型時(shí)，會(huì)出現(xiàn)裝箱、折箱操作，這將在托管堆上分配和回收大量的變量，若數(shù)據(jù)量大，則性能損失非常嚴(yán)重。
在處理引用類型時(shí)，雖然沒(méi)有裝箱和折箱操作，但將用到數(shù)據(jù)類型的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換操作，增加處理器的負(fù)擔(dān)。
在數(shù)據(jù)類型的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換上還有更嚴(yán)重的問(wèn)題（假設(shè)stack是Stack的一個(gè)實(shí)例）：
Node1 x = new Node1();
stack.Push(x);
Node2 y = (Node2)stack.Pop();
上面的代碼在編譯時(shí)是完全沒(méi)問(wèn)題的，但由于Push了一個(gè)Node1類型的數(shù)據(jù)，但在Pop時(shí)卻要求轉(zhuǎn)換為Node2類型，這將出現(xiàn)程序運(yùn)行時(shí)的類型轉(zhuǎn)換異常，但卻逃離了編譯器的檢查。
針對(duì)object類型棧的問(wèn)題，我們引入泛型，他可以優(yōu)雅地解決這些問(wèn)題。泛型用用一個(gè)通過(guò)的數(shù)據(jù)類型T來(lái)代替object，在類實(shí)例化時(shí)指定T的類型，運(yùn)行時(shí)（Runtime）自動(dòng)編譯為本地代碼，運(yùn)行效率和代碼質(zhì)量都有很大提高，并且保證數(shù)據(jù)類型安全。
使用泛型
下面是用泛型來(lái)重寫(xiě)上面的棧，用一個(gè)通用的數(shù)據(jù)類型T來(lái)作為一個(gè)占位符，等待在實(shí)例化時(shí)用一個(gè)實(shí)際的類型來(lái)代替。讓我們來(lái)看看泛型的威力：
public class Stack<T>
{
private T[] m_item;
public T Pop(){...}
public void Push(T item){...}
public Stack(int i)
{
this.m_item = new T[i];
}
}
類的寫(xiě)法不變，只是引入了通用數(shù)據(jù)類型T就可以適用于任何數(shù)據(jù)類型，并且類型安全的。這個(gè)類的調(diào)用方法：
//實(shí)例化只能保存int類型的類
Stack<int> a = new Stack<int>(100);
a.Push(10);
a.Push("8888"); //這一行編譯不通過(guò)，因?yàn)轭恆只接收int類型的數(shù)據(jù)
int x = a.Pop();
//實(shí)例化只能保存string類型的類
Stack<string> b = new Stack<string>(100);
b.Push(10); //這一行編譯不通過(guò)，因?yàn)轭恇只接收string類型的數(shù)據(jù)
b.Push("8888");
string y = b.Pop();
這個(gè)類和object實(shí)現(xiàn)的類有截然不同的區(qū)別：
1. 他是類型安全的。實(shí)例化了int類型的棧，就不能處理string類型的數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)類型也一樣。
2. 無(wú)需裝箱和折箱。這個(gè)類在實(shí)例化時(shí)，按照所傳入的數(shù)據(jù)類型生成本地代碼，本地代碼數(shù)據(jù)類型已確定，所以無(wú)需裝箱和折箱。
3. 無(wú)需類型轉(zhuǎn)換。
泛型類實(shí)例化的理論
C#泛型類在編譯時(shí)，先生成中間代碼IL，通用類型T只是一個(gè)占位符。在實(shí)例化類時(shí)，根據(jù)用戶指定的數(shù)據(jù)類型代替T并由即時(shí)編譯器（JIT）生成本地代碼，這個(gè)本地代碼中已經(jīng)使用了實(shí)際的數(shù)據(jù)類型，等同于用實(shí)際類型寫(xiě)的類，所以不同的封閉類的本地代碼是不一樣的。按照這個(gè)原理，我們可以這樣認(rèn)為：
泛型類的不同的封閉類是分別不同的數(shù)據(jù)類型。
例：Stack<int>和Stack<string>是兩個(gè)完全沒(méi)有任何關(guān)系的類，你可以把他看成類A和類B，這個(gè)解釋對(duì)泛型類的靜態(tài)成員的理解有很大幫助。
泛型類中數(shù)據(jù)類型的約束
程序員在編寫(xiě)泛型類時(shí)，總是會(huì)對(duì)通用數(shù)據(jù)類型T進(jìn)行有意或無(wú)意地有假想，也就是說(shuō)這個(gè)T一般來(lái)說(shuō)是不能適應(yīng)所有類型，但怎樣限制調(diào)用者傳入的數(shù)據(jù)類型呢？這就需要對(duì)傳入的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行約束，約束的方式是指定T的祖先，即繼承的接口或類。因?yàn)镃#的單根繼承性，所以約束可以有多個(gè)接口，但最多只能有一個(gè)類，并且類必須在接口之前。這時(shí)就用到了C#2.0的新增關(guān)鍵字：
public class Node<T, V> where T : Stack, IComparable
where V: Stack
{...}
以上的泛型類的約束表明，T必須是從Stack和IComparable繼承，V必須是Stack或從Stack繼承，否則將無(wú)法通過(guò)編譯器的類型檢查，編譯失敗。
通用類型T沒(méi)有特指，但因?yàn)镃#中所有的類都是從object繼承來(lái)，所以他在類Node的編寫(xiě)中只能調(diào)用object類的方法，這給程序的編寫(xiě)造成了困難。比如你的類設(shè)計(jì)只需要支持兩種數(shù)據(jù)類型int和string，并且在類中需要對(duì)T類型的變量比較大小，但這些卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閛bject是沒(méi)有比較大小的方法的。 了解決這個(gè)問(wèn)題，只需對(duì)T進(jìn)行IComparable約束，這時(shí)在類Node里就可以對(duì)T的實(shí)例執(zhí)行CompareTo方法了。這個(gè)問(wèn)題可以擴(kuò)展到其他用戶自定義的數(shù)據(jù)類型。
如果在類Node里需要對(duì)T重新進(jìn)行實(shí)例化該怎么辦呢？因?yàn)轭怤ode中不知道類T到底有哪些構(gòu)造函數(shù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要用到new約束：
public class Node<T, V> where T : Stack, new()
where V: IComparable
需要注意的是，new約束只能是無(wú)參數(shù)的，所以也要求相應(yīng)的類Stack必須有一個(gè)無(wú)參構(gòu)造函數(shù)，否則編譯失敗。
C#中數(shù)據(jù)類型有兩大類：引用類型和值類型。引用類型如所有的類，值類型一般是語(yǔ)言的最基本類型，如int, long, struct等，在泛型的約束中，我們也可以大范圍地限制類型T必須是引用類型或必須是值類型，分別對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵字是class和struct:
public class Node<T, V> where T : class
where V: struct
泛型方法
泛型不僅能作用在類上，也可單獨(dú)用在類的方法上，他可根據(jù)方法參數(shù)的類型自動(dòng)適應(yīng)各種參數(shù)，這樣的方法叫泛型方法。看下面的類：
public class Stack2
{
public void Push<T>(Stack<T> s, params T[] p)
{
foreach (T t in p)
{
s.Push(t);
}
}
}
原來(lái)的類Stack一次只能Push一個(gè)數(shù)據(jù)，這個(gè)類Stack2擴(kuò)展了Stack的功能（當(dāng)然也可以直接寫(xiě)在Stack中），他可以一次把多個(gè)數(shù)據(jù)壓入Stack中。其中Push是一個(gè)泛型方法，這個(gè)方法的調(diào)用示例如下：
Stack<int> x = new Stack<int>(100);
Stack2 x2 = new Stack2();
x2.Push(x, 1, 2, 3, 4, 6);
string s = "";
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
s += x.Pop().ToString();
} //至此，s的值為64321
泛型中的靜態(tài)成員變量
在C#1.x中，我們知道類的靜態(tài)成員變量在不同的類實(shí)例間是共享的，并且他是通過(guò)類名訪問(wèn)的。C#2.0中由于引進(jìn)了泛型，導(dǎo)致靜態(tài)成員變量的機(jī)制出現(xiàn)了一些變化：靜態(tài)成員變量在相同封閉類間共享，不同的封閉類間不共享。
這也非常容易理解，因?yàn)椴煌姆忾]類雖然有相同的類名稱，但由于分別傳入了不同的數(shù)據(jù)類型，他們是完全不同的類，比如：
Stack<int> a = new Stack<int>();
Stack<int> b = new Stack<int>();
Stack<long> c = new Stack<long>();
類實(shí)例a和b是同一類型，他們之間共享靜態(tài)成員變量，但類實(shí)例c卻是和a、b完全不同的類型，所以不能和a、b共享靜態(tài)成員變量。
泛型中的靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)
靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)的規(guī)則：只能有一個(gè)，且不能有參數(shù)，他只能被.NET運(yùn)行時(shí)自動(dòng)調(diào)用，而不能人工調(diào)用。
泛型中的靜態(tài)構(gòu)造函數(shù)的原理和非泛型類是一樣的，只需把泛型中的不同的封閉類理解為不同的類即可。以下兩種情況可激發(fā)靜態(tài)的構(gòu)造函數(shù)：
1. 特定的封閉類第一次被實(shí)例化。
2. 特定封閉類中任一靜態(tài)成員變量被調(diào)用。
泛型類中的方法重載
方法的重載在.Net Framework中被大量應(yīng)用，他要求重載具有不同的簽名。在泛型類中，由于通用類型T在類編寫(xiě)時(shí)并不確定，所以在重載時(shí)有些注意事項(xiàng)，這些事項(xiàng)我們通過(guò)以下的例子說(shuō)明：
public class Node<T, V>
{
public T add(T a, V b) //第一個(gè)add
{
return a;
}
public T add(V a, T b) //第二個(gè)add
{
return b;
}
public int add(int a, int b) //第三個(gè)add
{
return a + b;
}
}
上面的類很明顯，如果T和V都傳入int的話，三個(gè)add方法將具有同樣的簽名，但這個(gè)類仍然能通過(guò)編譯，是否會(huì)引起調(diào)用混淆將在這個(gè)類實(shí)例化和調(diào)用add方法時(shí)判斷。請(qǐng)看下面調(diào)用代碼：
Node<int, int> node = new Node<int, int>();
object x = node.add(2, 11);
這個(gè)Node的實(shí)例化引起了三個(gè)add具有同樣的簽名，但卻能調(diào)用成功，因?yàn)樗麅?yōu)先匹配了第三個(gè)add。但如果刪除了第三個(gè)add，上面的調(diào)用代碼則無(wú)法編譯通過(guò)，提示方法產(chǎn)生的混淆，因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)無(wú)法在第一個(gè)add和第二個(gè)add之間選擇。
Node<string, int> node = new Node<string, int>();
object x = node.add(2, "11");
這兩行調(diào)用代碼可正確編譯，因?yàn)閭魅氲膕tring和int，使三個(gè)add具有不同的簽名，當(dāng)然能找到唯一匹配的add方法。
由以上示例可知，C#的泛型是在實(shí)例的方法被調(diào)用時(shí)檢查重載是否產(chǎn)生混淆，而不是在泛型類本身編譯時(shí)檢查。同時(shí)還得出一個(gè)重要原則：
當(dāng)一般方法與泛型方法具有相同的簽名時(shí)，會(huì)覆蓋泛型方法。
泛型類的方法重寫(xiě)
方法重寫(xiě)（override）的主要問(wèn)題是方法簽名的識(shí)別規(guī)則，在這一點(diǎn)上他與方法重載一樣，請(qǐng)參考泛型類的方法重載。
泛型的使用范圍
本文主要是在類中講述泛型，實(shí)際上，泛型還可以用在類方法、接口、結(jié)構(gòu)（struct）、委托等上面使用，使用方法大致相同，就不再講述。
小結(jié)
C# 泛型是開(kāi)發(fā)工具庫(kù)中的一個(gè)無(wú)價(jià)之寶。它們可以提高性能、類型安全和質(zhì)量，減少重復(fù)性的編程任務(wù)，簡(jiǎn)化總體編程模型，而這一切都是通過(guò)優(yōu)雅的、可讀性強(qiáng)的語(yǔ)法完成的。盡管 C# 泛型的根基是 C++ 模板，但 C# 通過(guò)提供編譯時(shí)安全和支持將泛型提高到了一個(gè)新水平。C# 利用了兩階段編譯、元數(shù)據(jù)以及諸如約束和一般方法之類的創(chuàng)新性的概念。毫無(wú)疑問(wèn)，C# 的將來(lái)版本將繼續(xù)發(fā)展泛型，以便添加新的功能，并且將泛型擴(kuò)展到諸如數(shù)據(jù)訪問(wèn)或本地化之類的其他 .NET Framework 領(lǐng)域。
本博客為學(xué)習(xí)交流用，凡未注明引用的均為本人作品，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，如有版權(quán)問(wèn)題請(qǐng)及時(shí)通知。由于博客時(shí)間倉(cāng)促，錯(cuò)誤之處敬請(qǐng)諒解，有任何意見(jiàn)可給我留言，愿共同學(xué)習(xí)進(jìn)步。